摘要：

“晶型硅”作為光伏能源產(chǎn)業(yè)重要的生產(chǎn)材料，其火災危險性直接關系到光伏產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)安全工作。然而實踐表明，“晶型硅”因具有不穩(wěn)定性、易燃性等獨特的理化性質(zhì)，決定了其在新能源、新材料領域應用中潛在眾多不安全因素。深入開展“晶型硅”火災防控研究，加快制定和完善行業(yè)安全技術(shù)標準，才能更好地保障光伏能源產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)安全。

關鍵詞：

晶型硅；火災；消防安全

引言

2020年青海一硅業(yè)公司原料棚“硅泥”堆垛發(fā)生火災。轄區(qū)消防救援人員到場后利用沙土對起火堆垛實施邊掩埋邊清理措施，最終歷時6個多小時，火災被撲滅。經(jīng)調(diào)查，該起火災起火物為“硅泥”，起火原因為硅泥堆垛長期存放于陽光板廠房內(nèi)，不斷積熱導致硅泥物料自燃。該起火災雖未造成人員傷亡和較大財產(chǎn)損失，但起火物質(zhì)“晶型硅”作為我省個別生產(chǎn)企業(yè)引入的新型材料，其火災危險性、燃燒特性是消防救援領域一個全新的課題。特別是在此次滅火救援實踐過程中，發(fā)現(xiàn)因“晶型硅”特殊的理化性質(zhì)，現(xiàn)有常規(guī)滅火藥劑對于該物質(zhì)火災不但撲救無效，在特定條件下還能助長火勢發(fā)展蔓延，同時消防救援部門采取沙土掩埋的措施也是收效甚微。因此，深入研究“晶型硅”材料理化性質(zhì)、燃燒特征及火災防控和滅火救援措施，對于“晶型硅”生產(chǎn)企業(yè)安全生產(chǎn)和消防工作有著重要的意義。

一、晶型硅理化性質(zhì)

硅（Si）是常見的一種化學元素，自然界中常以復雜的硅酸鹽、二氧化硅等形式存在。而單質(zhì)硅都是人工提煉而成，分為晶型和非晶型（無定型硅單質(zhì)，非晶型硅粉是工貿(mào)行業(yè)重點監(jiān)控可燃粉塵，屬危險化學品[1]）兩種，晶型硅又分為單晶硅和多晶硅。相較于單晶硅，多晶硅由于其生產(chǎn)工藝的影響，其中普遍會夾雜碳、氧、氮和金屬雜質(zhì)[2]。

（一）物理性質(zhì)

晶型硅單質(zhì)具有和金剛石類似的空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此其表現(xiàn)出硬度大、熔點高、質(zhì)地脆的特點，其性質(zhì)介于金屬和非金屬之間，是灰黑色有金屬光澤的半導體。主要用途：半導體材料，如計算機芯片;新能源，如太陽能電池的硅晶板。

（二）化學性質(zhì)

晶型硅在常溫下不活潑，化學性質(zhì)十分穩(wěn)定。但在一定溫度條件下，可與一般堿溶液和特定酸（僅能與氫氟酸反應）反應，并伴隨有氫氣產(chǎn)生；在高溫作用下，與水或水蒸氣能發(fā)生作用，產(chǎn)生氫氣。

（1）Si+2OH-+H2O==SiO32-+2H2↑（如NaOH，KOH）

（2）Si+4HF==SiF4↑+2H2↑

（3）Si+4H2O==H4SiO4+2H2↑

二、“硅泥”幾種常見組成形態(tài)及特性

“硅泥”俗稱“硅泥餅”，亦稱晶型硅，是由單晶或多晶硅棒在冷卻液環(huán)境下切割太陽能光伏電池板光伏硅片工藝產(chǎn)生的細顆粒及冷卻液混合廢料，后經(jīng)板框壓濾機壓榨、過濾形成厚度30mm硅泥餅，其主要用途是作為生產(chǎn)金屬硅和高純硅鐵的原料。

（一）“硅泥”幾種常見組成形態(tài)

1.濕硅泥餅

由太陽能光伏電池板光伏硅片切割工藝產(chǎn)生的細顆粒及冷卻液混合廢料，后經(jīng)板框壓濾機壓榨、過濾形成硅泥餅，含水45%-55%。濕硅泥餅在常溫狀態(tài)下不易自燃、不易燃燒。

2.濕硅泥粒料和濕硅泥顆粒

為便于擠壓制粒，濕硅泥餅摻入含水較低的硅泥干粉，經(jīng)碾壓摻混或攪拌摻混得到含水36%-43%的硅泥小粒度料（直徑≤8mm），該濕硅泥粒料性質(zhì)同濕硅泥餅。將濕硅泥粒料經(jīng)擠壓成型為直徑8mm的棒狀顆粒，則得到濕硅泥顆粒，其性質(zhì)也同濕硅泥餅。

3.干硅泥顆粒和硅泥干粉

將濕硅泥粒料經(jīng)擠壓成型為直徑8mm的棒狀顆粒（便于水分溢出），進入烘干設備中，在低于230℃接觸溫度和低于180℃空氣安全條件下，經(jīng)40-60分鐘烘干，含水降低到0.5%-3.0%，烘干機出料后，經(jīng)篩分得到的干硅泥顆粒和硅泥干粉。干硅泥顆粒用于冶煉，硅泥干粉回用摻混到濕硅泥粒料，用于干硅泥顆粒二次再造。

干硅泥顆粒出料時如溫度過高，易發(fā)生自燃，其自燃火苗很小或不見火苗；出料時溫度較低時，不易發(fā)生自燃，可以存放數(shù)月。硅泥干粉用袋裝時，因氧氣量不足不易發(fā)生自燃，可存放數(shù)月；硅泥干粉露天堆放時，在高溫作用下易發(fā)生自燃。

（二）不同組成形態(tài)的燃燒特性

干硅泥顆粒和硅泥干粉的自燃或燃燒完全不同于濕硅泥餅、濕硅泥粒料和濕硅泥顆粒的燃燒。干硅泥料的燃燒是硅與環(huán)境中氧氣的反應，其產(chǎn)物是二氧化硅，沒有氫氣產(chǎn)生，且燃燒不劇烈;濕硅泥料的燃燒則是硅與水的反應，不需要氧氣參與反應，而且是放熱反應，同時伴有氫氣產(chǎn)生，因此燃燒更加持續(xù)、劇烈。

三、“硅泥”實驗室環(huán)境下燃燒情況

實驗選取青海稼誠硅業(yè)有限公司原料供應廠家國家電投太陽能電力有限公司“硅泥”常規(guī)物料，配水后烘干、回收水分，研缽研細后樣品作為此次燃燒（梯度升溫）實驗樣品。

實驗顯示，在外部施溫500℃以下，“硅泥”因脫水表現(xiàn)出失重情況；在溫度達到500℃以上，由于“晶體硅”干料與空氣中氧氣反應、與水分反應，從而隨著溫度不斷增加，表現(xiàn)出增重現(xiàn)象。同時，當溫度升高至700℃時，反應加劇，產(chǎn)生的少量氫氣與空氣中氧氣發(fā)生燃燒。因此，綜合實驗現(xiàn)象，“硅泥”物料在200℃環(huán)境中，就會逐步發(fā)生反應，同時不斷積累熱量，最終導致后期持續(xù)燃燒現(xiàn)象的發(fā)生。

四、火災啟示

（一）“硅泥”的火災危險性定性尚不明確

“硅泥”市場的出現(xiàn)只有4年，國內(nèi)對“硅泥”研究較少，關于其火災燃燒方面的研究更是少之又少?，F(xiàn)有國家規(guī)范、行業(yè)標準尚未對其火災危險性明確定性。而此次火災充分證實，不同形態(tài)“硅泥”具有不同且較高的火災危險性，加之其特殊的理化性質(zhì)，這便對該新型材料生產(chǎn)、加工企業(yè)安全生產(chǎn)和消防工作提出更高的標準和要求，尤其在建筑防火、生產(chǎn)工藝、存儲、運輸?shù)确矫?，都應進行深入研究。

（二）“硅泥”自燃禁忌用水性滅火劑

“硅泥”自燃起火后，其內(nèi)部溫度至少700℃以上，在這種情況下使用消火栓、車載水滅火，不僅會加劇“硅泥”的燃燒，而且還會產(chǎn)生大量氫氣，釋放更高熱量，加速火勢蔓延。同時，常規(guī)泡沫滅火劑，可能一定程度上在火災初期能夠起到覆蓋、降溫和抑制的作用，但因其本質(zhì)是“硅泥”與水的作用，不需要氧氣等助燃物參與，因此也不能選用泡沫滅火劑滅火。

（三）干粉、沙土具有一定的滅火效能

此次火災滅火實踐表明，用干粉、沙土掩埋的滅火措施，只能在堆垛表面壓制火勢蔓延，但如果堆垛內(nèi)部已經(jīng)自燃起火，從根本上無法全面滅火，同時由于干粉、沙土的覆蓋，導致堆垛內(nèi)部產(chǎn)生的氫氣短時間無法釋放，內(nèi)部壓力不斷增大，如遇堆垛缺口，便會出現(xiàn)大量氫氣集中釋放，這也解釋了該起火災撲救時部分堆垛缺口冒出2至3米高藍色火焰的情形。同時，干粉、沙土掩埋滅火對于硅泥干粉、干硅泥顆粒等硅泥干料是切實可行的措施。

（四）“硅泥”自燃應先切斷蔓延路徑

“硅泥”起火初期燃燒較為緩慢，持續(xù)時間長，因此如果火災發(fā)現(xiàn)得早，應及時對起火堆垛周邊硅泥堆垛和可燃物進行清理，同時利用裝載機、挖機等機械設備對起火部位堆垛逐層攤開，再利用沙土、干粉進行覆蓋，實際控火能力明顯增強；如發(fā)現(xiàn)起火時火勢已經(jīng)發(fā)展蔓延，應從外沿開始，采取逐步攤開、沙土覆蓋混合、清理的方式進行滅火。

五、“硅泥”火災防控的幾點建議

（一）加快國家及行業(yè)標準制定

應加快對“硅泥”及其行業(yè)安全生產(chǎn)工作調(diào)研，切實掌握“硅泥”理化性質(zhì)和燃燒機理，對其火災危險性進行準確定性[3]。同時根據(jù)“硅泥”生產(chǎn)、加工、儲存實際，制定安全生產(chǎn)及火災防控規(guī)范、標準，尤其在火災先期預警、建筑防火、工藝安全升級、存儲場所安全、交通運輸?shù)确矫嬗枰砸?guī)范，切實增強“硅泥”安全生產(chǎn)和火災防控“硬指標”。

（二）“硅泥”火災防控應以預防為主

此次火災實踐證明，“硅泥”一旦起火，火災持續(xù)時間長，現(xiàn)場溫度高，同時伴隨氫氣等危險物質(zhì)產(chǎn)生，滅火救援難度增大。因此，就整個“硅泥”火災發(fā)生、發(fā)展而言，該類物質(zhì)火災防控應當更加注重火災前的預防。一是落實溫度監(jiān)控措施。要采取遠程和現(xiàn)場溫度測量相結(jié)合的不間斷溫度監(jiān)控措施，只要有物料經(jīng)過的工藝、存放、運輸?shù)冗^程中，均要有效實施物料溫度測量，及時掌握物料實時溫度變化，以便快速做出先期處置。二是嚴控物料存放。要以露天堆放為主[4]，堆垛合理劃分防火“分區(qū)”，保證防火間距[5]，同時加蓋防曬布、防雨布，堆垛底部采用防水措施，確保堆垛不受陽光炙烤、水分進入而發(fā)生反應；如庫內(nèi)存放，庫房設置還應滿足通風、防火防爆和無光照等條件要求，同時嚴禁與其他物品混放，還應設置火災報警、溫度報警等預警設施[6]。三是要有除塵措施。無論工藝生產(chǎn)過程、存儲和運輸，均應設置除塵設施或采取除塵措施，防止因“硅泥”干粉細顆?；蚍蹓m聚集，而增加火災和粉塵爆炸危險[7]。四是嚴禁長期存儲。長期存儲過程中，受溫度、濕度等因素影響較大，因此要避免因長期存放而帶來的不確定風險。

（三）加快研究制定有效的滅火措施

要在深入研究不同形態(tài)“硅泥”在不同條件下燃燒機理基礎上，進一步制定切實可行的滅火救援措施，研究開發(fā)適用于“晶型硅”火災的有效滅火劑和滅火設施，從而提升該類物質(zhì)火災的滅火救援水平。同時，加快“晶型硅”火災預警、自動滅火設施的研制使用，全面保障涉“硅”企業(yè)生產(chǎn)安全和消防安全[8]。

結(jié)束語

“晶型硅”作為近年市場初現(xiàn)的新型化工材料，其獨特的理化性質(zhì)，將不斷影響到企業(yè)生產(chǎn)安全和消防安全。同時，因目前市場上“硅泥”生產(chǎn)、加工工藝的非標準化，其物料均帶有速凝劑等其他成分，綜合導致“硅泥”原料或產(chǎn)品性質(zhì)的不穩(wěn)定性。因此，加快“晶型硅”調(diào)研，進一步規(guī)范企業(yè)標準化生產(chǎn)，對于“晶型硅”生產(chǎn)、加工企業(yè)安全生產(chǎn)和火災防控具有現(xiàn)實意義。

參考文獻

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[7]青海兩個單晶硅產(chǎn)業(yè)化項目科技攻關取得突破[J].精細與專用化學品，2010，18（08）：53.

[8]富世伯，楊紹斌，董偉，等.線切割多晶硅硅泥制備鋰離子電池負極材料[J].功能材料，2021，52（08）：8156-8161.

作者簡介：

張生科（1987- ），男，漢族，青海互助人，本科，中級專業(yè)技術(shù)職務，研究方向：火災調(diào)查。